KR101200470B1 - 방수층이 코팅된 이차 전지 및 그 코팅 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방수층이 코팅된 이차 전지 및 그 코팅 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 방수층이 코팅된 이차 전지는, 파우치 외장재 내부에 전극 리드가 접합된 전극 조립체를 삽입하고 파우치 외장재의 주변부를 열융착시켜 제조한 이차 전지에 있어서, 파우치 외장재의 측면 실링부 및 상단 실링부를 포함한 파우치 외장재 전체에 연속적으로 형성된 방수 코팅층을 포함하고, 상기 상단 실링부의 방수 코팅층 두께가 나머지 부분의 방수 코팅층 두께보다 상대적으로 두꺼운 것을 특징으로 한다.

Description

방수층이 코팅된 이차 전지 및 그 코팅 방법{Waterproof layer coated secondary battery and its coating method}
본 발명은 방수층이 코팅된 이차 전지 및 그 코팅 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파우치 외주면 전체에 전극 리드가 위치하는 부분의 코팅층이 상대적으로 두껍게 형성된 방수 코팅층을 형성하여 내부로의 수분 침투를 방지하고 내구성을 향상시킬 수 있는 방수층이 코팅된 이차 전지 및 그 코팅 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다. 일반적으로 이러한 이차 전지는 외장이나 적용 형태에 따라 캔형 이차 전지와 파우치형 이차 전지로 구분될 수 있다.
도 1은 종래의 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 파우치형 이차 전지를 조립한 상태의 정면 투시도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 파우치형 이차 전지(10)는 전극 조립체(30)와, 전극 조립체(30)로부터 연장되어 있는 복수의 전극 탭들(40, 50)과, 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 결합된 전극 리드(60, 70)와, 전극 조립체(30)를 수용하는 파우치 외장재(20)를 포함하여 구성된다.
상기 전극 조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형, 젤리-롤형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진다. 전극 탭들(40, 50)은 전극 조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되고, 전극 리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(40, 50)과 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되며, 파우치 외장재(20)의 외부로 일부 노출된 형태로 결합된다. 또한, 전극 리드(60, 70)의 일부에는 파우치 외장재(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착될 수 있다.
상기 파우치 외장재(20)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 이루어지며, 전극 조립체(30)를 수용할 수 있는 공간이 형성되어 있으며, 전체적으로 파우치 형상을 갖는다. 이러한 파우치 외장재(20)는 상부 시트(20a)와 하부 시트(20b)로 구성되어 있으며, 각각의 상부 및 하부 시트(20a, 20b)는 순차적으로 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 열융착층(21)과, 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 알루미늄 금속층(22)과, 기재 및 보호층으로 작용하는 보호층(23)이 적층된 다층 구조로 이루어진다.
이러한 다층의 라미네이트 시트로 이루어진 파우치 외장재(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에 전극 조립체(30)를 수납하고 상부 및 하부 시트(20a, 20b)의 열융착층(21)을 서로 대면시킨 후, 측면 실링부(25)와 상단 실링부(26)를 열융착시켜 전극 조립체(30)를 밀봉시킨다.
열융착시에는 이차 전지의 작동을 위해 필요한 전해액을 주입할 수 있는 부위를 제외한 나머지 부분을 1차 융착한 후 전해액 주액을 마치고 나서 전해액 주입 부위를 2차 융착한다. 다른 대안으로, 전극 조립체(30)가 이미 전해액을 함침하고 있는 경우는 곧 바로 측면 실링부(25)와 상단 실링부(26) 전체를 융착시킨다.
그런데, 측면 및 상단 실링부(25, 26)는 전지의 다른 부위에 비해 취약한 부위로서, 장기간의 사용시 실링 부위를 통해 수분이 침투하여 결과적으로 전지의 수명이 단축되는 원인으로 작용하게 된다. 특히, 상단 실링부(25)는 전극 리드(60, 70)가 위치하는 부분에서 틈이 발생되거나, 전극 리드(60, 70) 부분의 밀봉도 향상을 위해 부착된 절연필름(80)이 녹아 옆으로 밀려나면서 접착이 균일하지 못하게 될 우려가 있어 측면 실링부(26)에 비해 상대적으로 수분 침투에 더욱 취약한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 파우치 외장재 전체에 방수 코팅층을 형성하되, 전극 리드가 위치하는 부분의 코팅층을 상대적으로 두껍게 형성함으로써, 파우치 외장재 자체를 통한 수분 침투는 물론이고, 열융착에 의한 실링 부위 특히, 전극 리드가 위치한 상단 실링부를 통한 수분의 침투를 효과적으로 방지할 수 있고, 이러한 향상된 방수 코팅층을 간단한 코팅 공정으로 형성시킬 수 있는 방수층이 코팅된 이차 전지 및 그 코팅 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지는, 파우치 외장재 내부에 전극 리드가 접합된 전극 조립체를 삽입하고 파우치 외장재의 주변부를 열융착시켜 제조한 이차 전지에 있어서, 파우치 외장재의 측면 실링부 및 상단 실링부를 포함한 파우치 외장재 전체에 연속적으로 형성된 방수 코팅층을 포함하고, 상기 상단 실링부의 방수 코팅층 두께가 나머지 부분의 방수 코팅층 두께보다 상대적으로 두꺼운 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 방수 코팅층은, 불소수지, 세라믹수지, 아크릴수지, 에폭시수지 및 폴리이미드수지 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합 수지로 이루어진다.
바람직하게, 상기 방수 코팅층은 파우치 외장재의 하단부터 상기 전극 리드의 상부를 제외한 영역까지 형성된다.
바람직하게, 상기 전극 리드와 파우치 외장재의 접합 계면에는 외부로 노출된 절연필름이 구비되고, 상기 방수 코팅층은 상기 파우치 외장재의 하단부터 적어도 상기 노출된 절연필름의 하단부를 포함하는 부위까지 형성된다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지의 방수 코팅 방법은, 파우치 외장재 내부에 전극 리드가 접합된 전극 조립체를 삽입하고 파우치 외장재의 주변부를 열융착시켜 제조한 이차 전지의 방수 코팅 방법에 있어서, 이차 전지를 용기에 수용된 코팅 용액에 디핑시키는 단계; 및 상기 전극 리드가 위치한 상단 실링부에서의 인출속도를 나머지 부분에서의 인출속도보다 상대적으로 낮게 제어하면서 이차 전지를 코팅 용액으로부터 인출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 간단한 코팅 공정을 통해 파우치 외장재 전체에 전극 리드가 위치하는 부분의 코팅층이 상대적으로 두껍게 형성된 방수 코팅층을 형성함으로써, 파우치 외장재 자체를 통한 수분 침투는 물론이고, 열융착에 의한 실링 부위 특히, 전극 리드가 위치한 상단 실링부를 통한 수분의 침투를 효과적으로 방지할 수 있다. 이를 통해 이차 전지의 밀봉성 및 내구성을 향상시킬 수 있어 전지의 안전성과 장기간 보존 특성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 후술되는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 파우치형 이차 전지를 조립한 상태의 정면 투시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방수층이 코팅된 이차 전지를 조립한 상태의 정면 투시도이다.
도 4는 도 3의 C 부분의 Ⅲ-Ⅲ'선에 따른 단면을 확대 도시한 부분 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방수층이 코팅된 이차 전지의 방수 코팅층 형성을 위한 코팅 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 열풍 건조기를 개략적으로 도시한 사시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방수층이 코팅된 이차 전지를 조립한 상태의 정면 투시도이고, 도 4는 도 3의 Ⅲ-Ⅲ'선에 따른 단면을 확대 도시한 부분 확대 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 방수층이 코팅된 이차 전지(100)는 전극 조립체(300), 상기 전극 조립체(300)로부터 연장되어 있는 전극 리드(600, 700) 및 상기 전극 조립체(300)를 수용하는 파우치 외장재(200)를 포함한다.
상기 전극 조립체(300)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형, 젤리-롤형 또는 스택/폴딩형 구조 등을 가진다. 그리고 전극 조립체(300) 상부에는 각 극판으로부터 연장된 양극 및 음극 탭들(400, 500)이 구비된다. 상기 전극 리드(600, 700)는 초음파 용접, 저항 용접, 레이저 용접 등에 의해 양극 및 음극 탭들(400, 500)에 각각 접합된다.
상기 파우치 외장재(200)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 이루어진다. 상기 파우치 외장재(200)는 양 측면 부분의 측면 실링부(250)와 상단 부분의 상단 실링부(260)를 구비한다. 상기 측면 실링부(250)와 상기 상단 실링부(260)의 열융착에 의해 상기 파우치 외장재(200)는 전극 조립체(300)를 긴밀하게 밀봉한다. 상기 전극 리드(600, 700)의 일부에는 파우치 외장재(200)와의 절연을 확보하고 접착성을 향상시키기 위해 절연필름(800)이 부착되어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 파우치 외장재(200)에는 전극 리드(600, 700)를 제외하고 열융착으로 형성된 파우치 외장재(200)의 측면 실링부(250)와 상단 실링부(260)를 포함한 파우치 외장재(200) 전체에 연속적으로 형성된 방수 코팅층(210)이 구비된다.
바람직하게, 상기 방수 코팅층(210)은 디핑법에 의해 형성된다. 즉, 방수 코팅층(210)을 형성할 수 있는 코팅 용액이 담긴 용기에 이차 전지를 디핑시킨 후 인출하여 건조함으로써 방수 코팅층(210)을 형성한다. 이차 전지(100)의 디핑 시에는 파우치 외장재(200)의 하단부터 디핑시키고 전극 리드(600, 700)의 상단 일부는 디핑을 하지 않는 것이 바람직하다.
방수 코팅층(210)은 불소수지, 세라믹수지, 아크릴수지, 에폭시수지 및 폴리이미드수지 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합 수지로 이루어질 수 있다. 이 중 불소수지는 내발수성이 우수하여 수분 침투를 현저하게 방지할 수 있으며, 매우 낮은 계면 장력으로 인해 물과 같은 이물질들이 흡착되어 전지의 고장을 유발하는 것을 억제할 수 있다.
본 발명에서 상기 방수 코팅층(210)은 도 4에 도시된 바와 같이, 밀봉성이 취약한 상단 실링부(260)가 위치하는 구간(A)의 방수 코팅층(210a) 두께를 나머지 부분(B)의 방수 코팅층(210b) 두께보다 상대적으로 두껍게 한다. 상단 실링부(260)의 밀봉성이 취약한 이유는, 상단 실링부(260)의 경우, 전극 리드(600, 700)가 개재된 상태에서 파우치 외장재(200)의 열융착이 이루어지므로 측면 실링부(250)에 비해 접착력의 편차가 발생하기 때문이다. 따라서, 상단 실링부(260)의 밀봉성을 보강하지 않으면, 이차 전지(100)의 장기간 사용시 상단 실링부(260)가 위치하는 구간(A)을 통해 수분이 침투되어 전지의 안전성에 문제를 일으킬 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이, 상기 파우치 외장재(200) 전체에 디핑법을 통해 연속된 방수 코팅층(210)을 형성하되, 상단 실링부(260)가 위치하는 구간(A)의 방수 코팅층(210a) 두께를 나머지 구간(B)의 방수 코팅층(210b) 두께보다 상대적으로 두껍게 형성한다. 이로써, 밀봉성이 취약한 상단 실링부(260)의 밀봉성을 보강할 수 있다. 나아가, 파우치 외장재(200)를 통한 수분의 침투 정도를 더욱 저감시킬 수 있다.
그러면, 이하에서는 상단 실링부(260)에 형성되는 방수 코팅층(210a)의 두께를 측면 실링부(250)에 형성되는 방수 코팅층(210b)보다 두껍게 하는 이차 전지의 방수 코팅 방법을 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 방수층이 코팅된 이차 전지의 방수 코팅층 형성을 위한 코팅 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 도 5의 열풍 건조기를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 파우치 외장재(200)의 실링 공정이 완료된 이차 전지(100)와 코팅 용액(930)이 담긴 코팅 용기(920)를 준비한다. 그런 다음, 이차 전지(100)의 상단에 돌출되어 있는 전극 리드(600, 700)를 코팅 장치의 디핑 척(910)에 장착시킨다. 그리고 나서, 디핑 척(910)을 서서히 하강시켜 전극 리드(600, 700)의 상단을 제외한 나머지 부분을 코팅 용액(930)에 디핑시킨다. 이 때, 전극 리드(600, 700)와 파우치 외장재(200)의 접합 계면에 절연필름(800)이 노출되어 있는 경우, 적어도 노출된 절연필름(800)의 하단까지 코팅 용액(930)에 디핑시키는 것이 바람직하다.
이차 전지(100)의 디핑이 완료되면, 일정한 시간을 유지하였다가 디핑 척(910)을 상부로 상승시켜 이차 전지(100)를 코팅 용액(930)으로부터 인출한다. 이차 전지(100)가 코팅 용액(930)으로부터 인출되면 외기와의 접촉을 통해 건조가 이루어지면서 파우치 외장재(200)에 연속적인 방수 코팅층(210)이 형성된다. 이차 전지(100)의 디핑과 인출 과정은 목적하는 방수 코팅층(210)의 두께에 따라 1 내지 5회 실시될 수 있다. 방수 코팅층(210)의 두께 확인은 방수 코팅층(210)의 형성 과정에서 SEM 측정 또는 높이 측정 기구를 통해 이루어질 수 있다. 그리고, 방수 코팅층(210)의 형성이 완료되면, 최종적으로 방수 코팅층(210)의 두께를 확인하여 방수 코팅층(210) 형성의 불량 여부를 판별할 수 있다.
한편, 이차 전지(100)의 인출 지점에는 이차 전지(100)에 코팅된 방수 코팅층(210)의 효과적인 건조를 위한 열풍 건조기(940)가 더 설치되어, 이차 전지(100)가 인출되는 부위에 열풍을 공급할 수 있다. 일 예로, 열풍 건조기(940)는 도 6에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100)가 디핑 및 인출할 수 있는 개구(941)가 형성되고, 내측에 열풍이 방출되는 다수의 분사구(945)가 구비되어 이차 전지(100)의 디핑 및 인출 경로 주변을 둘러싸는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명에서는 이차 전지(100)를 코팅 용액(930)으로부터 인출할 때 상단 실링부(260)가 위치한 구간(A)에서의 인출속도를 나머지 구간(B)에서의 인출속도보다 상대적으로 낮게 제어한다. 그러면, 파우치 외장재(200)의 상단 실링부(260)가 위치한 구간(A)의 방수 코팅층(210a)의 두께를 나머지 구간(B)의 방수 코팅층(210b)보다 상대적으로 두껍게 형성할 수 있다. 코팅 용액(930)은 일정한 점도를 가지므로 인출속도가 낮으면 그 만큼 파우치 외장재(200)의 표면에 붙는 코팅 용액(930)의 양이 증가하기 때문이다.
대안적으로, 이차 전지(100)를 코팅 용액(930)에서 인출하는 속도를 동일하게 하고, 열풍 건조기(940)에서 방출되는 열풍의 온도를 제어하여 방수 코팅층(210)의 두께를 제어할 수도 있다. 즉, 상단 실링부(260)가 인출되는 동안 열풍 건조기(940)에서 공급되는 열풍의 온도를 상대적으로 높게 한다. 그러면, 열풍의 작용에 의해 파우치 외장재(200)가 인출되는 지점에 존재하는 코팅 용액(930)의 점도가 상승함으로써 방수 코팅층(210)의 두께가 증가하게 된다.
본 발명은 방수 코팅층(210)의 두께를 제어하는 구체적인 방식에 의해 한정되는 것은 아니다. 따라서, 방수 코팅층(210)의 두께를 선택적으로 제어하는 방법은 전술한 실시예 이외에도 여러 가지 변형된 실시예가 있을 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
상술한 본 발명에 따른 방수층이 코팅된 이차 전지 및 그 코팅 방법은 파우치형 이차 전지인 경우를 들어 설명하였다. 하지만, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니며, 캔과 그 캔의 상측 개구에 용접 접합되는 캡 플레이트로 구성되는 각형 이차 전지 등과 같이 다양한 형태의 이차 전지에 적용이 가능하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
이차 전지 : 100 파우치 외장재 : 200
방수 코팅층 : 210 전극 조립체 : 300

Claims (10)

  1. 파우치 외장재 내부에 전극 리드가 접합된 전극 조립체를 삽입하고 파우치 외장재의 주변부를 열융착시켜 제조한 이차 전지에 있어서,
    파우치 외장재의 측면 실링부 및 상단 실링부를 포함한 파우치 외장재 전체에 연속적으로 형성된 방수 코팅층을 포함하고,
    상기 상단 실링부의 방수 코팅층 두께가 나머지 부분의 방수 코팅층 두께보다 상대적으로 두꺼운 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방수 코팅층은, 불소수지, 세라믹수지, 아크릴수지, 에폭시수지 및 폴리이미드수지 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방수 코팅층은 파우치 외장재의 하단부터 상기 전극 리드의 상부를 제외한 영역까지 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극 리드와 파우치 외장재의 접합 계면에는 외부로 노출된 절연필름이 구비되고,
    상기 방수 코팅층은 상기 파우치 외장재의 하단부터 적어도 상기 노출된 절연필름의 하단부를 포함하는 부위까지 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 파우치 외장재 내부에 전극 리드가 접합된 전극 조립체를 삽입하고 파우치 외장재의 주변부를 열융착시켜 제조한 이차 전지의 방수 코팅 방법에 있어서,
    이차 전지를 용기에 수용된 코팅 용액에 디핑시키는 단계; 및
    상기 전극 리드가 위치한 상단 실링부에서의 인출속도를 나머지 부분에서의 인출속도보다 상대적으로 낮게 제어하면서 이차 전지를 코팅 용액으로부터 인출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 방수 코팅 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 코팅 용액은, 불소수지, 세라믹수지, 아크릴수지, 에폭시수지 및 폴리이미드수지 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 방수 코팅 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 이차 전지의 코팅 용액 디핑 시 전극 리드의 상부를 제외한 나머지 부분을 디핑시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 방수 코팅 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 이차 전지의 인출 지점에 열풍을 인가하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 방수 코팅 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 파우치 외장재의 상단 실링부가 인출되는 동안 공급되는 열풍의 온도를 상단 실링부를 제외한 나머지 부분이 인출되는 동안 공급되는 열풍의 온도보다 높게 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 방수 코팅 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 전극 리드와 파우치 외장재의 접합 계면에는 외부로 노출된 절연필름이 개재되고,
    적어도 상기 노출된 절연필름의 하단이 상기 코팅 용액에 디핑되도록 상기 파우치 외장재를 디핑시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 방수 코팅 방법.
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